Поляризационное устройство измерения угловых перемещений объекта

Использование: контрольно-измерительная техника, в волоконно-оптических измерительных системах для измерения различных физических величин, например, давления, линейных и угловых перемещений и др.

Суть предлагаемого технического решения заключается в следующем:

Предложенное поляризационное устройство измерения угловых перемещений объекта позволяет измерять величину внешних воздействий на чувствительный элемент 3 в системе координат 0XYZ, где 0Z -направление распространения излучения от источника 1, 0X, 0Y -наведенные оси эллипсоида поляризации чувствительного элемента 3, выполненного в виде петли, заданного радиуса R_/2, где - длина волны источника излучения 1, при этом в качестве чувствительного элемента использован одномодовый волоконный световод.

В предложенном устройстве исключена функция индуцированного двулучепреломления чувствительного элемента, что повышает точность измерений и упрощает схему приложения внешних воздействий к чувствительному элементу 3. Кроме того, т.к. при повороте чувствительного элемента вокруг оси чувствительности (оси 0Z) на угол мощность светового потока, падающего на фотоприемник 6, пропорциональна 2, чувствительность устройства возрастает. 1 ил.

Предложенное техническое решение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в волоконно-оптических измерительных системах для бесконтактных измерений различных физических величин, например, усилий, давления, линейных и угловых перемещений и других.

Наиболее близким техническим решением является поляризационный волоконно-оптический датчик с индуцированным двулучепреломлением, обусловленным внешним воздействием (см. В.И.Бусурин, Ю.Р.Носов «Волоконно-оптические датчики: физические основы, вопросы расчета и применения», М. Энергоатомиздат, 1990 г., стр.91-93).

Известный датчик содержит источник излучения, чувствительный элемент в виде волоконного световода, сопряженного с источником излучения, анализатор, расположенный за волоконным световодом, фотоприемник, регистрирующий излучение, проходящее через анализатор.

Принцип действия известного аналога заключается в следующем.

Поперечное внешнее воздействие, приложенное к световоду длинною L (например, механическое напряжение в заданном направлении), приводит к индуцированному двулучепреломлению световода, что обуславливает разность хода двух взаимно перпендикулярных поляризаций, равную

L=(n-n_II)L,

где n, n_II - показатели преломления для излучения, поляризованного перепендикулярно и параллельно фронту внешнего воздействия.

Для определенной схемы приложения воздействия оптическая мощность на выходе анализатора Рвых определяется как:

где:

Рвх - мощность входного излучения, вводимого в световод;

- коэффициент светопропускания.

Таким образом, процесс измерения внешних воздействий в ближайшем аналоге следует рассматривать в следующей последовательности:

1. направленное воздействие на световод внешних возмущений, приводящее к индуцированному двулучепреломлению световода;

2. поворот плоскости поляризации, обусловленный индуцированным двулучепреломлением;

3. измерение мощности светового потока, прошедшего анализатор, как функции внешних возмущений.

Недостатком известного устройства является то, что индуцированное внешним воздействием двулучепреломление волоконного световода зависит от нестабильности его оптических параметров в процессе измерений, а динамический диапазон зависит также от его механической прочности.

Кроме того, чувствительность приборов этого класса ограничена минимально детектируемой величиной угла поворота плоскости поляризации детектируемого излучения.

Цель настоящего технического решения - улучшение технических характеристик, а именно увеличение точности, диапазона измерений и повышение чувствительности устройства.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в поляризационном устройстве измерения угловых перемещений объектов, содержащем источник излучения, чувствительный элемент в виде волоконного световода, сопряженный с источником излучения, анализатор расположенный за чувствительным элементом, фотоприемник, регистрирующий излучение, прошедшее через анализатор, в качестве чувствительного элемента используется одномодовый волоконный световод, выполненный в виде петли заданного радиуса R_/2 где - длина волны источника излучения, а в качестве источника излучения использован гелий-неоновый (Не-Nе) лазер.

На фиг.1 представлена схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит: 1 - источник излучения - He-Ne лазер; 2 - одномодовый световод; 3 - чувствительный элемент, выполненный в виде петли заданного радиуса R_/2; 4 - торцевые грани световода, перпендикулярные оптической оси световода 2, сопряженные с источником излучения 1 и анализатором 5, пропускающим выходное излучение с выходного торца 4 световода 2; 6 - фотоприемник, регистрирующий излучение, 7 - измеритель сигнала, 8 - основание, на котором жестко крепится петля 3, OXYZ-заданная система координат.

Входной и выходной торцы 4 световода 2 неподвижно закреплены в точках сопряжения с источником излучения 1 и анализатором 5.

Суть предлагаемого технического решения заключается в следующем.

При изгибе волоконного световода (ВС) из-за механических повреждений изменяется распределение показателей преломления в поперечном сечении световода.

Это изменение пропорционально величине напряжений, а коэффициент пропорциональности называется упругооптической постоянной.

Возникающее при изгибе двулучепреломление характеризуется величиной:

Расчет напряжений в структуре ВС, изогнутого с радиусом R, приводит к выражению:

где r - радиус световода; v - коэффициент Пуассона (v=0,17 для кварцевого стекла); ₁₁ и ₁₂ - компоненты упругооптического тензора материала ВС (₁₁-₁₂=-0,15 для кварца); n - показатель преломления (n=1,46).

Например, для длины волны He-Ne лазера 0,63 мкм имеем:

В предлагаемом устройстве радиус кривизны петли выбирается таким, чтобы изогнутый световод выполнял роль полуволновый пластинки, т.е. чтобы плоско-поляризованный луч, проходя через петлю, испытал двулучепреломление с разностью фаз . Это условие можно записать в следующем виде:

Отсюда получаем выражение для R_/2

Основание 8 с петлей 3 может поворачиваться относительно оси 0Z в системе координат 0XYZ, где 0Z - направление распространения излучения, 0X, 0Y- оси наведенного эллипсоида поляризации.

Устройство работает следующим образом:

В исходном положении основание 8 с петлей 3 поворачивается относительно оси 0Z таким образом, чтобы сигнал, снимаемый с фотоприемника 6, имел максимальное значение. Это означает, что вектор поляризации плоско-поляризованного света за петлей 3, и вектор пропускания анализатора 5 совпадают. Тогда при повороте основания 8 (петли 3) на угол а вокруг оси 0Z угол между вектором поляризации излучения на входе анализатора 5 и вектором пропускания этого анализатора составит 2. Это означает, что мощность излучения за поляризатором определяется как

Таким образом, в предлагаемом устройстве процесс индуцированного двулучепреломления, как функция внешних воздействий, отсутствует, что упрощает конструкцию и, следовательно, схему приложения воздействия. Наведенное двулучепреломление - наперед заданный параметр, обусловленный изгибом световода в виде петли заданного радиуса. Входное воздействие (угловое перемещение), вращающее петлю, приводит непосредственно к повороту плоскости поляризации света, прошедшего петлю 3, что измеряется по изменению мощности светового потока за анализатором 5 с помощью фотоприемника 6 и блока 7.

При этом, согласно вышеизложенному, если величина угла поворота петли 3 (основания 8) равна , то мощность за анализатором 5 пропорциональна 2, что увеличивает чувствительность устройства.

В результате предложенное техническое решение повышает точность измерений, увеличивает динамический диапазон и чувствительность устройства при измерении угловых перемещений объектов.

Поляризационное устройство измерения угловых перемещений объекта, содержащее источник излучения, чувствительный элемент в виде волоконного световода, сопряженный с источником излучения, анализатор, расположенный за чувствительным элементом, фотоприемник, регистрирующий излучение, прошедшее через анализатор, отличающееся тем, что в качестве чувствительного элемента, использован одномодовый волоконный световод, выполненный в виде петли заданного радиуса R_/2, где - длина волны источника излучения, а в качестве источника излучения использован гелий-неоновый лазер.